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viernes, 18 de agosto de 2017

Cómo la bola de nieve de la Tierra dio lugar a la vida compleja

Los glaciares movieron el fósforo de las montañas hasta los océanos. Allí las bacterias se lo devoraron. Y estas bacterias fueron devoradas por otras. Finalmente las que prevalecieron tenían formados un núcleo, un sistema de membranas y unos orgánulos llamados mitocondrias, el estanque de bencina de las células modernas (las eucariotas = con núcleo). Nacieron las cadenas tróficas (el intercambio de energía envasada en diferentes formatos) y las reacciones químicas que liberaban oxígeno, lo que permitió que la vida prosperara y dominara el planeta. Y todos se beneficiaron (endosimbiosis) y fueron felices.
Bueno, faltaba encontrar el "fósforo fósil" dejado por estos microorganismos en aquellos tiempos, la evidencia de que este proceso ocurrió alguna vez

Cómo la bola de nieve de la Tierra dio lugar a la vida compleja


A pivotal step in the evolution of life on Earth was the progression from unicellular to multicellular organisms, from bacteria to algae in layman’s terms, from prokaryotes to eukaryotes in scientific parlance. For scientists eukaryotes are particularly sexy, not least because they enabled sexual reproduction, the great driver of species specialisation.
But while scientists have long had very good ideas about how the step occurred – symbiogenesis – when and why eukaryotes bloomed to become the dominant productive lifeform in the Earth’s primordial oceans – creating the preconditions for more complex organisms to evolve – has remained a very big question. There is a reason, after all, that bacteria came first: unicellular existence is simpler, efficient and resilient. Appearing about 1 billion years after the Earth’s formation, bacterial life monopolised the planet for at least 800 million years and continued to dominate for several billion more. So what changed to give algae its time in the sun?
Now research from scientists at the Australian National University published in Nature has an answer to the when and why, dating the “rise of algae” to 659–645 million years ago. It is a surprisingly narrow interval, falling between the Earth’s second-last and last great ‘snowball’ glaciation episodes, when the oceans froze and the planet’s surface was covered in ice up to several kilometres thick.
As much as ice-age conditions would seem inhospitable to life, the ANU research team led by Jochen Brocks and Amber Jarrett suggest the Earth’s penultimate snowball phase, known as the Sturtian glaciation, set the scene for the proliferation of algae through the grinding work of glaciers, which moved mountains into the oceans, pouring into the water a feast of mineral nutrients – notably phosphorus – that was too much for bacteria to devour. On the leftovers, in a way, did algae thrive.
The Sturtian glaciation – the longest in Earth’s history, lasting about 60 million years between 717 million and and 660 millions years ago – is named after geological evidence unearthed from Sturt River Gorge in South Australia. This new evidence comes from Australia’s Northern Territory. The scientists analysed the ancient sedimentary rocks for molecular evidence of steroid alcohols, or sterols, which only eukaryotes can produce. They discovered a marked Increased in steroid diversity and abundance that pointed to a rapid rise of marine planktonic algae, known as archaeplastida.
“In these rocks we discovered striking signals of molecular fossils,” says Jarrett, “We immediately knew we had made a ground-breaking discovery that snowball Earth was directly involved in the evolution of large and complex life.”


Biogeochemical models, the authors write, suggests ocean nutrient were kept low prior to the Sturtian glaciation by a positive feedback between low phosphate abundances and low atmospheric oxygen. “Low phosphate curtailed primary productivity and carbon burial, thereby keeping oxygen levels low. Low oxygen, in turn, promoted efficient removal of phosphate from aquatic ecosystems by co-precipitation with iron minerals.”
The Sturtian glaciation, they suggest, interrupted this positive feedback, “flipping the system into a new steady state”, with the “weathering” of glacial sediments, amplified by extreme carbon dioxide levels in the hot and wet melting stage, delivering an oversupply of nutrients into the oceans.
Algae did not, however, conquer the oceans immediately following the end of the Sturtian. “In the post-snowball greenhouse world, tropical sea surface temperatures may have reached 50 to 60 °C, which is above the growth optimum even of extremely thermophilic algae, but well within the range of cyanobacterial picoplankton. Thus, we propose that cyanobacteria persisted in the tropics as dominant primary producers, and algae were only able to radiate once temperatures dropped after several million years.”
Drawing on the modelling of modern planktonic ecosystems, the authors suggest the immediate response to rising phosphate probably saw cyanobacterial picoplankton densities rise to levels sufficient to sustain bacterivorous grazers, which then capped cyanobacterial cell numbers so that accessory nutrients became available for the eventual expansion of the larger algae.
The radiation of algae, in turn, would have created a “more efficient biological pump” to drive up organic carbon and nutrients in the ocean: “We posit that permanent burial of hydrocarbon-rich algal biomass caused a step-increase in the sedimentary ratio of organic carbon to phosphorous, a key parameter ultimately controlling the net release of oxygen to the atmosphere. Thus, higher nutrient levels, a more efficient biological pump and the emergence of degradation-resistant algal biopolymers would have caused permanently increased rates of carbon burial and oxygen release to the atmosphere.”
Says Brocks: “These large and nutritious organisms at the base of the food web provided the burst of energy required for the evolution of complex ecosystems, where increasingly large and complex animals, including humans, could thrive on Earth.”

 

Hace 650 millones de años, los glaciares masivos mueven las montañas al polvo y preparan el escenario para el surgimiento de algas en los océanos de la Tierra.

Un paso fundamental en la evolución de la vida en la Tierra fue la progresión de organismos unicelulares a multicelulares, de bacterias a algas en términos simples, de procariotas a eucariotas en el lenguaje científico. Para los científicos, los eucariotas son particularmente atractivos, sobre todo porque permitieron la reproducción sexual, el gran motor de la especialización de las especies.
Pero mientras que los científicos han tenido muy buenas ideas sobre cómo ocurrió el paso - la simbionogénesis - cuando y por qué los eucariotas florecieron para convertirse en la forma de vida productiva dominante en los océanos primordiales de la Tierra - creando las condiciones previas para que evolucionen organismos más complejos - . Hay una razón, después de todo, de que las bacterias llegaron primero: la existencia unicelular es más simple, eficiente y resistente. Apareciendo cerca de 1.000 millones de años después de la formación de la Tierra, la vida bacteriana monopolizó al planeta durante al menos 800 millones de años y siguió dominando por varios miles de millones más. Entonces, ¿qué cambió para dar algas su tiempo en el sol?
Ahora la investigación de científicos de la Universidad Nacional Australiana publicada en Nature tiene una respuesta al cuándo y por qué, fechando el "alza de algas" a 659-645 millones de años atrás. Es un intervalo sorprendentemente estrecho, que cae entre los episodios de glaciación de la segunda y última gran bola de nieve de la Tierra, cuando los océanos se congelaron y la superficie del planeta se cubrió de hielo hasta varios kilómetros de espesor.
El equipo de investigación de la ANU, dirigido por Jochen Brocks y Amber Jarrett, sugiere que la penúltima fase de la bola de nieve de la Tierra, conocida como glaciación estriada, preparó el escenario para la proliferación de algas a través del trabajo de molienda de Glaciares, que trasladaron las montañas a los océanos, vertiendo en el agua una fiesta de nutrientes minerales - notablemente fósforo - que era demasiado para las bacterias para devorar. En las sobras, en cierto modo, las algas prosperaron.
La glaciación de Sturtian - el más largo en la historia de la Tierra, durando alrededor de 60 millones de años entre 717 millones y hace 660 millones de años - es el nombre de la evidencia geológica desenterrada de Sturt River Gorge en el sur de Australia. Esta nueva evidencia proviene del Territorio del Norte de Australia. Los científicos analizaron las antiguas rocas sedimentarias para la evidencia molecular de los alcoholes esteroides, o esteroles, que sólo los eucariotas pueden producir. Descubrieron un marcado aumento de la diversidad y abundancia de esteroides que apuntaba a un rápido aumento de algas planctónicas marinas, conocidas como archaeplastida.
"En estas rocas descubrimos señales sorprendentes de fósiles moleculares", dice Jarrett, "inmediatamente supimos que habíamos hecho un descubrimiento innovador de que la bola de nieve de la Tierra estaba directamente involucrada en la evolución de la vida grande y compleja".


Modelos biogeoquímicos, los autores escriben, sugiere nutrientes del océano se mantuvieron bajos antes de la glaciación de Sturtian por una retroalimentación positiva entre las bajas abundancias de fosfato y bajo el oxígeno atmosférico. "El fosfato redujo la productividad primaria y el enterramiento de carbono, manteniendo así los niveles de oxígeno bajos. El bajo nivel de oxígeno, a su vez, promovió la remoción eficiente del fosfato de los ecosistemas acuáticos mediante coprecipitación con minerales de hierro ".
La glaciación sturtiana, sugieren, interrumpió esta retroalimentación positiva, "volcando el sistema en un nuevo estado estacionario", con el "desgaste" de los sedimentos glaciales, amplificado por los niveles extremos de dióxido de carbono en la fase de fusión en caliente y húmedo, proporcionando un exceso de suministro de Nutrientes en los océanos.
Sin embargo, las algas no conquistaron los océanos inmediatamente después del final del Sturtian. "En el mundo del invernadero después de la bola de nieve, las temperaturas de la superficie del mar tropical pueden haber alcanzado los 50 a 60 ° C, que está por encima del óptimo de crecimiento incluso de las algas extremadamente termófilas, pero muy dentro del rango de picoplancton cianobacteriano. Por lo tanto, proponemos que las cianobacterias persisten en los trópicos como productores primarios dominantes, y las algas sólo fueron capaces de irradiar una vez que las temperaturas cayeron después de varios millones de años ".
Basándose en el modelado de los ecosistemas planctónicos modernos, los autores sugieren que la respuesta inmediata al aumento del fosfato probablemente hizo que las densidades de picoplancton de cianobacterias aumentaran a niveles suficientes para mantener a los herbívoros herbívoros, lo que limitó el número de células cianobacterianas. Algas más grandes.
La radiación de las algas, a su vez, habría creado una "bomba biológica más eficiente" para impulsar el carbono orgánico y los nutrientes en el océano: "Pusimos que el entierro permanente de la biomasa de algas rico en hidrocarburos causó un incremento de la proporción sedimentaria De carbono orgánico a fósforo, un parámetro clave que controla en última instancia la liberación neta de oxígeno a la atmósfera. Por lo tanto, niveles de nutrientes más altos, una bomba biológica más eficiente y la aparición de biopolímeros de algas resistentes a la degradación habrían causado tasas permanentemente incrementadas de enterramiento de carbono y liberación de oxígeno a la atmósfera ".
Brocks: "Estos organismos grandes y nutritivos en la base de la red alimentaria proporcionaron la explosión de energía necesaria para la evolución de ecosistemas complejos, donde animales cada vez más grandes y complejos, incluyendo humanos, podrían prosperar en la Tierra".
https://cosmosmagazine.com/geoscience/how-snowball-earth-gave-rise-to-complex-life

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